物理学家终于探测到了太阳深处产生的“失踪”中微子

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每一秒钟,都有数万亿个被称为中微子的低质量亚原子粒子从太阳发射出来,在你的身体里滑行而不被发现,这些中微子是由太阳中发生的两种已知的核聚变反应产生的,而到目前为止,科学家们只检测到其中一组中微子,质子挤压在一起形成氦所产生的中微子。

Inside view of the detector (Borexino)

每一秒钟,都有数万亿个被称为中微子的低质量亚原子粒子从太阳发射出来,在你的身体里滑行而不被发现,这些中微子是由太阳中发生的两种已知的核聚变反应产生的,而到目前为止,科学家们只检测到其中一组中微子,质子挤压在一起形成氦所产生的中微子。但是在意大利从事伯尔西诺实验的物理学家们第一次表示,他们终于观测到了第二组更难以捉摸的“失踪”中微子。

这一小部分中微子是氦的第二种成分的结果,它们被称为“CNO中微子”,以太阳的碳氧氮(CNO)循环命名,科学家们已经寻找了几十年,如果我们能找到一种更好地分析它们的方法,我们可能就能解决关于太阳的一个主要问题——它到底含有多少金属,据《科学新闻》报道,来自位于米兰的意大利国家核物理研究所的物理学家Gioacchino Ranucci说:“有了这个结果,Borexino已经完全阐明了太阳的两个动力过程。”

拉努奇在本周虚拟主办的中微子2020大会上展示了这一结果。值得注意的是,这些细节还没有经过同行评议,但是这种可能性已经引起了物理学界的兴趣,来自澳大利亚国立大学的实验粒子物理学家林赛·比格内尔(Lindsey Bignell)没有参与这项研究,但密切关注着演示的结果。

比格奈尔对《科学警报》说:“伯尔西诺合作小组提供的测量结果,代表了移除探测器背景以测量CNO中微子的英勇努力的高潮。”“这些结果将对理解太阳的性质非常重要,并可能解决太阳的金属丰度问题。”奇怪的是,我们似乎就是无法计算出我们的太阳有多金属,基于两种不同方法的预测有大约28%的人不同意。

如果有一种模型是正确的,这些CNO中微子可能会给我们一个决定性的结论,那就是CNO中微子之所以如此难以被发现,是因为它们很难与太阳产生的其他类型的中微子区分开来,尤其是在Borexino探测器产生的背景电流和温度变化的情况下。

实验装置由一个巨大的不锈钢球体组成,用来捕捉当中微子碰到一种叫做假异丙苯的溶剂分子时难以捕捉的闪烁。为了避免闪烁与枯燥的老粒子的辐射,将整个实验浸入一个水箱中,然后屏蔽在岩石中。

Borexino探测器的核心部分由将近300吨溶剂组成,中微子只有通过微弱的核力才能被发现,这就要求它们在10^-46平方厘米的极小范围内通过,才有希望撼动原子核。这意味着,尽管有大量的微小粒子,但每天可能有几十个中微子离我们很近,足以有机会触发光的爆发。

自20世纪60年代以来,类似这样的实验就被用来测量中微子的发射,绘制遥远的宇宙爆炸、附近的核反应以及大量的太阳粒子的光芒。我们最近的恒星发射出的大部分中微子是由氢离子合并产生氦的阿尔法粒子产生的,因此,数十年的中微子搜寻让我们对这种特殊的恒星反应有了很好的了解也就不足为奇了。

Borexino对溶剂的选择经过了微调,以收集具有特定冲击作用的中微子,使其能够专注于其他种类的核反应。

自2007年以来,该实验记录了可以追溯到同位素铍-7和硼-8产生的闪光,例如,帮助研究人员确认了粒子“动物园”标准模型背后的数学原理。

但是CNO中微子比其他中微子更难探测,CNO循环是用碳、氧和氮作为垫脚石的“质子+质子”法制造氦的复杂替代方法。找到CNO循环的痕迹将帮助我们更好地确定它的极限,以及太阳令人困惑的元素组合,特别是当它在元素周期表其他部分的核合成中扮演的角色。

“使用中微子技术是有利的,因为它不仅是测量太阳金属丰度的独立方法,而且是唯一直接对太阳核心金属丰度敏感的技术,”比格内尔说。

这项研究在中微子2020虚拟会议上发表。

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